[논문]석회암층의 터널관통사례

김용일; 황낙연; 정두석; 홍종상; 이내용

문제 정의

본 지역은 지표지질조사 및 인근지역의 석회암 비탈면 조사 등을 토대로 판단할 때 망상형 공동이 발생되어있는 지반으로 분석된다.
본 공사구간은 대표적인 퇴적암지대로 과거 채탄을 실시한 채굴적이 존재하고 석회암 및 사암, 셰일, 함탄층이 교호되는 복잡한 지질구조로 구성되어 있다. 본고에서는 석회암지대를 통과하는 터널을 굴착하면서 발생된 돌발적인 출수상황과 침하에 대한 대처사례를 고찰하고자 한다.
103km420지점에서 교차하였다. 위의 선구조가 교차하는 지점에 석회암 공동이 발달하고 있을 경우 STA.103km750 지점과 같은 지하수 용출이 발생할 가능성을 파악하였다.
지표지질조사, 전기비저항탐사, 시추조사, 지하수 모니터링조사를 시행하여 출수 및 침하 원인을 분석하고 대책방안을 마련하고자 하였다. 지표지질조사를 위해 클리노미터, 락해머를 동원하였고 전기비저항탐사에는 SAS 4000 SYSTEM/ABEM을 투입하였다.
탄성파탐사는 전방의 지질상태 파악 및 불연속면을 예측할 목적으로 시행되는데 크게 TSP(Tunnel Seismic Prediction)와 HSP(Horizontal Seismic Profiling) 방법으로 분류할 수 있으며, 주요 장비는 3성분 지오폰 및 탄성파탐사 기록계로 구성된다. 탄성파탐사는 소량의 발파로 인위적인 탄성파를 발생시키면 탄성파가 전방향으로 파동 되는데, 매질의 특성이 다른 경계를 만나면 반사되어 되돌아오는 특성이 있으므로 이를 분석하여 불연속면의 존재를 확인할 수 있는 원리를 이용한 것이다. 탄성파 발생은 발파를 이용하며, 천공구멍내에 소량의 장약 후 순발뇌관을 연결하여 점화시키면 된다.

제안 방법

터널상부의 토피가 200m 이상의 대심도 터널로 하천수가 유입되는 상황은 흔치 않은 것으로 석회암지대의 망상형 공동 특성에 따라 터널출수와 지표침하가 발생되었다. 가마터샘 지표침하는 F4구조선과 용식동굴이 현저하게 발달된 막골석회암지층내 수직으로 발달한 공동분포를 통한 지하수위 저하가 지표 토사유실을 초래하여 발생하였고, 철암천변은 F1단층을 따라 발달된 용식동굴을 통해 지표 및 지하수가 유입되며, 이와 함께 토사유실로 침하발생하였다. 함몰침하부위는 3개 단층이 교차되는 지점으로 파쇄가 매우 심해 지표수 유입부를 제공한 결과를 초래했다.
솔안터널 2사갱-본선(영주방향) 굴착지점 후방 70m 지점에서 용출수가 발생되면서 수평거리 190m, 수직거리 235m 지표면에 위치하는 철암천변 인근의 비닐하우스 경작밭에 지표침하 발생하였다. 이 구간 또한 출입통제 및 계측을 즉각으로 실시하였고 천막가배수로 하천을 우회시키고 하천 및 터널내 차수그라우팅을, 도로변은 JSP 차단벽으로 지반을 보강하였다.
정밀조사결과에 따라 지상부에서 유입원 차수 및 지반보강을 실시하고 계측추이를 관찰하면서 터널차수를 시행하여 출수상황을 종료시켰다. 잔여 미굴착 구간에 대해서는 암반예측시스템에 의한 사전조사를 계획적으로 실시하여 문제점을 예측하고 출수구간에는 사전차수(Pre-Grouting)를 시행하면서 성공적으로 굴착을 진행하였다.
잔여구간은 막골층 석회암구간에서 터널 시공되므로 본 지역 석회암 특성분석과 본 지표 침하현황을 토대로 안전시공방안을 수립하였다.
함몰침하부위는 3개 단층이 교차되는 지점으로 파쇄가 매우 심해 지표수 유입부를 제공한 결과를 초래했다. 정밀조사결과에 따라 지상부에서 유입원 차수 및 지반보강을 실시하고 계측추이를 관찰하면서 터널차수를 시행하여 출수상황을 종료시켰다. 잔여 미굴착 구간에 대해서는 암반예측시스템에 의한 사전조사를 계획적으로 실시하여 문제점을 예측하고 출수구간에는 사전차수(Pre-Grouting)를 시행하면서 성공적으로 굴착을 진행하였다.
즉각 작업을 중단하고 하천 물돌리기 및 터널 긴급양수와 침하계측을 실시하면서 전문가집단에 의한 합동조사가 착수되었다. 조사는 터널내 누수, 지표침하 현황조사 및 원인 규명, 차수 및 지반보강 방법 검토 및 대책 수립, 안전진단을 통한 기존터널 안정성 검토 및 잔여구간 차수 및 보강대책 수립의 범위로 진행되었다.
5m, 깊이 5m 의 지표침하로 터널내 과다유입수가 발생하였고, 103K749 지점내로 철암천 하천수가 터널내로 유입되어 190m 수평이격된 철암천 주변 비닐하우스지역이 침하가 되었다. 즉각 작업을 중단하고 하천 물돌리기 및 터널 긴급양수와 침하계측을 실시하면서 전문가집단에 의한 합동조사가 착수되었다. 조사는 터널내 누수, 지표침하 현황조사 및 원인 규명, 차수 및 지반보강 방법 검토 및 대책 수립, 안전진단을 통한 기존터널 안정성 검토 및 잔여구간 차수 및 보강대책 수립의 범위로 진행되었다.
지표구간은 4개 시추공을 이용하여 지하수위변동 모니터링을 통한 터널굴착영향을 분석하였다. 잔여 굴착구간에 조사된 단층은 총 3개(F2,F3,F4)로 F2(오십천단층)는 103km480 교차지점을 중심으로 약 30도정도로 사교하는 가장 규모가 큰 단층으로 예상 통과지점 전후에서 큰 주의가 요구되었다.
지표지질조사, 전기비저항탐사, 시추조사, 지하수 모니터링조사를 시행하여 출수 및 침하 원인을 분석하고 대책방안을 마련하고자 하였다. 지표지질조사를 위해 클리노미터, 락해머를 동원하였고 전기비저항탐사에는 SAS 4000 SYSTEM/ABEM을 투입하였다. 회전수세식 유압형 시추기를 이용하여 시추를 시행하고 표준관입시험을 실시하였다.
회전수세식 유압형 시추기를 이용하여 시추를 시행하고 표준관입시험을 실시하였다. 지하수 유동특성을 파악하기 위해 변수위 투수시험을 실시하고 KVA Groundwater Flow meter/Geoflo 장비를 투입하여 지하수의 유향과 유속을 측정하는 시험을 수행하였다.
조사지역의 지층 방향은 N60^∼70W의 주향과 40^∼60NE의 경사를 가지며 분포하고 있다. 터널 심도에서의 지층 분포 및 선구조의 분포를 분석하기 위해 종단면도(G-G')를 작성하였다.
특히 이 터널은 구간의 높이 차(약 3백80m)를 극복하기 위해 Loop형태로 설계되었고, 열차의 안정성, 구난대피, 환기측면에서 단선병렬 터널로 설계되었다.
지표지질조사를 위해 클리노미터, 락해머를 동원하였고 전기비저항탐사에는 SAS 4000 SYSTEM/ABEM을 투입하였다. 회전수세식 유압형 시추기를 이용하여 시추를 시행하고 표준관입시험을 실시하였다. 지하수 유동특성을 파악하기 위해 변수위 투수시험을 실시하고 KVA Groundwater Flow meter/Geoflo 장비를 투입하여 지하수의 유향과 유속을 측정하는 시험을 수행하였다.

대상 데이터

3번 선구조는 N70W 방향으로 발달하고 있으며 미굴착 구간 STA.103km600 지점에서 교차하고, 4번 선구조는 3번 선구조와 동일한 방향으로 발달하며 미굴착 구간 STA.103km420지점에서 교차하였다. 위의 선구조가 교차하는 지점에 석회암 공동이 발달하고 있을 경우 STA.
매립층 및 퇴적층은 자갈 및 모래로, 기반암은 셰일, 역암, 사암으로 구성되어 있다,
본 공사구간은 대표적인 퇴적암지대로 과거 채탄을 실시한 채굴적이 존재하고 석회암 및 사암, 셰일, 함탄층이 교호되는 복잡한 지질구조로 구성되어 있다. 본고에서는 석회암지대를 통과하는 터널을 굴착하면서 발생된 돌발적인 출수상황과 침하에 대한 대처사례를 고찰하고자 한다.
영동선 이설사업 일환으로 영동선 동백산역(강원도 태백시 연화동)과 도계역(삼척시 도계읍)간의 본 터널은 총 연장 16.2㎞인 장대터널로서 전북 완주 전라선 슬치터널(6.12㎞)보다 10㎞ 이상 길고, 정선 고한과 태백 추전을 잇는 4.5km의 정암터널의 3배가 넘는다.
조사 지역 일대의 지질은 캠브로-오도비스기의 조선누층군을 최하부 층으로 하여 이를 부정합으로 피복하고 있는 석탄-페름기의 평안누층군, 그리고 이들을 부정합으로 다시 피복하는 백악기 경상누층군, 위 지층들과 분출 및 관입관계를 가지는 백악기 화산암류 및 모든 지층들을 부정합으로 덮고 있는 충적층으로 구성되어 있으며, 각 지층은 드러스트 단층에 의해 수차례 반복하여 분포하며, 오십천단층 등 주향이동 단층에 의해 단절되고 있다.
조사지역의 지층은 막골 석회암층, 직운산 셰일층, 두위봉 석회암층 및 사암 등의 퇴적암으로 구성된 만항층이 분포하고 있다. 조사지역의 지층 방향은 N60^∼70W의 주향과 40^∼60NE의 경사를 가지며 분포하고 있다.

성능/효과

미굴착 구간은 선구조 분석결과 총 3개의 선구조(2, 3, 4번)와 교차하고 있다. 2번 선구조는 이 지역에서 가장 규모가 큰 단층대인 오십천 단층과 동일한 방향으로서, 이 방향을 따라 파쇄대 및 연약대가 발달하고 있을 것으로 추정되며, 미굴착 구간 STA.103km480에서 교차할 것으로 예상되었다.
가마터샘 부근의 BW-1공시추조사 결과 공동용식 현상과 단층파쇄대가 확인되었으며, 이러한 석회암 공동과 파쇄대는 지하수유동 통로가 될 가능성이 높았다.
가마터샘 부근의 유향은 229∼276˚로 지형과 F4구조선의 영향을 받는 것으로 판단되며, 유속은 95∼98cm/day 로 나타났다. 현 영동선 철도변의 지하수 유향은 189∼347˚, 유속은 52∼250cm/day로 현 지형에 따른 동수구배와 지질구조선의 투수특성에 지배를 받는 것으로 판단되었다.
과업구간에 4개의 구조선이 영향을 주는 것으로 판단되었으며 가마터샘부근의 지표수 누수현상은 F4구조선과 막골석회암내 수직적인 공동분포의 영향으로 분석되었다.
터널 굴착 당시 용출 지점에는 충전물로 채워진 석회암 공동이 분포하고 있었다. 선구조 분석 결과 1번 선구조 방향이 예측되었으며, 지표지질조사 결과 1번 선구조 상에 단층노두가 확인되었고, 또한 이 방향을 따라 지표침하 지점이 연속적으로 나타나고 있었다.
지표구간은 4개 시추공을 이용하여 지하수위변동 모니터링을 통한 터널굴착영향을 분석하였다. 잔여 굴착구간에 조사된 단층은 총 3개(F2,F3,F4)로 F2(오십천단층)는 103km480 교차지점을 중심으로 약 30도정도로 사교하는 가장 규모가 큰 단층으로 예상 통과지점 전후에서 큰 주의가 요구되었다. F3은 터널과 직교하고 지표에서는 두위봉층과 만항층경계에 위치하고 철암천과 나란하며 터널구간에서는 막골층과 교차하므로 F1단층에 의한 침하와 유사한 현상이 발생할 가능성이 있고, F4는 막골층에 위치하며 수직으로 발달한 단층이므로 단층면의 용식동굴이 발달한 가능성이 높으므로 가마터샘과 유사한 침하의 가능성이 있다.
전체적으로 보면 캠브로-오도비스기의 조선누층군, 석탄-페름기의 평안누층군, 백악기 경상누층군과 상기지층들과 분출 및 관입관계를 갖는 백악기 화산암류 및 제4기 충적층으로 구성되어 있다. 각 지층은 층상단층에 의해 수차례 반복되며 오십천단층 등의 주향이동단층에 의해 단절되어 있다.
지하수 용출(STA.103km750) 및 지표침하문제 발생은 F1구조선에 의한 것으로 분석되었고, 미굴착 구간은 F2, F3, F4구조선에 의한 영향을 받을 것으로 예측되었다.
가마터샘은 가마터샘 고갈 이후 갱내 차수그라우팅으로 지하수 유입경로 차단하여 추가적인 침하발생이 없었으며 이후 지하수위가 원상회복되었다. 철암천변은 하천 물돌리기, 침 하부 암버력 되메우기, 철암천변 LW그라우팅 및 도로변 JSP 차단벽 보강으로 지하수 유입이 현저히 감소하였으며, 지표침하부위 되메우기 후 추가 침하 징후가 없었다.
침하경위조사 및 정밀 지질 조사결과를 토대로 지표침하 원인을 분석하면, 가마터샘 부근의 지표수 누수현상은 F4구조선과 용식동굴이 현저하게 발달된 막골석회암지층내 수직으로 발달한 공동분포의 영향으로 분석되었다.(그림 27)
5m, 깊이 5m의 지표 침하가 발생하였다. 터널내 암반상태는 양호하며 이상변위도 계측되지 않았으며, 지표침하구간 보링결과 0^∼4m 토사, 4^∼5m 충적층, 5^∼7m 풍화암, 7m 이하 구간 연암으로 파악되었다. 지상부는 안전휀스 및 우기대비용 지붕설치작업으로 출입을 통제하였고 지표침하계(11개소) 및 지중침하계(1개소)에 의한 계측, 전지비저항탐사 및 관정조사를 즉시 실시하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영동선 동백산-도계간 철도이설 건설공사구간의 지질구조는 어떠한가?	본 공사구간은 대표적인 퇴적암지대로 과거 채탄을 실시한 채굴적이 존재하고 석회암 및 사암, 셰일, 함탄층이 교호되는 복잡한 지질구조로 구성되어 있다. 본고에서는 석회암지대를 통과하는 터널을 굴착하면서 발생된 돌발적인 출수상황과 침하에 대한 대처사례를 고찰하고자 한다.
	영동선 이설사업의 일환으로 설계된 영동선 동백산역과 도계역간의 터널의 길이는?	영동선 이설사업 일환으로 영동선 동백산역(강원도 태백시 연화동)과 도계역(삼척시 도계읍)간의 본 터널은 총 연장 16.2㎞인 장대터널로서 전북 완주 전라선 슬치터널(6.12㎞)보다 10㎞ 이상 길고, 정선 고한과 태백 추전을 잇는 4.
	영동선 동백산역과 도계역간의 터널은 구간의 높이 차를 극복하기 위해 어떠한 형태로 설계되었는가?	특히 이 터널은 구간의 높이 차(약 3백80m)를 극복하기 위해 Loop형태로 설계되었고, 열차의 안정성, 구난대피, 환기측면에서 단선병렬 터널로 설계되었다.

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